JP4082657B2 - インバータ式発電機 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、交流発電体の交流出力を全波整流し直流出力とした後、インバータにより任意周波数に変換して交流出力を取り出すインバータ式発電機に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来からこの種のものとしては、特許第2934675号公報に記載されたようなものがある。
【0003】
このインバータ式発電機によれば、各々独立した複数の出力巻線とそれに対応したサイリスターブリッジ整流回路、およびその各整流出力を平滑化して直列または並列接続に切り替えて重畳する重畳回路を設置し、例えば海外において交流240V、又は、交流120Vの電圧を必要とする場合には、前記整流出力を並列に接続しインバーターを介して交流出力120Vを得、或いは、前記整流出力を直列に接続しインバーターを介して交流出力240Vを得るものがある。
【0004】
従って、このシステムによれば、1)整流回路の出力電圧を直列に重畳することにより高電圧を得る(240V)ため、回路部品の耐電圧を低く押さえることができ、コスト低減ができ、また出力の定電圧制御を簡単にできる。
2)又高電圧でのスイッチングではないため電力損失が少なく発電効率を高められる。
【0005】
3)各整流出力を平滑して直列または並列接続に切り替えて重畳する重畳回路を設置を設置しているため、仕向地の異なる製品を同一の設計とすることができる。
【0006】
また、他の従来技術としては、特開2000−278998号公報に記載されたようなものがある。
【0007】
このエンジン駆動溶接機は、エンジンで駆動される発電体に複数の発電巻線を巻き、エンジンの高速回転時には各発電巻き線を切り替え回路を介して並列に接続し、又、エンジンの低速回転時には発生電圧が低下した分を補うために、切り替え回路を介して直列に接続し、整流回路で直流溶接電源に変換し、直流出力を溶接棒に供給することを特徴とするものである。又、発電体巻き線を中間タップ取り出しとし、高電圧を整流もしくは低電圧を整流することからなるエンジン駆動溶接機を特徴とするものである。
【0008】
これら両発明は、いずれも複数巻き線の出力を並列もしくは直列に接続して所用のAC出力を得ようとするものである。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来のものにあっては、誘導負荷等の起動性を考えた時、エンジン出力と発電体とで決まる最大出力以上の起動性は得る事ができなかった。
【0010】
従って、誘導負荷等の起動性を重要視した顧客については、それに見合ったエンジン出力の発電機を提供しているが、通常運転時はそれ程大きなエンジン出力が必要ないことから、発電機自体の重量が必要以上に増加してしまう、という問題があった。
【0011】
そこで、この発明は、発電機自体の重量を高めることなく、エンジン出力と発電体とで決まる最大出力以上の起動性を得ることができるインバータ式発電機を提供することを課題とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を達成するために、請求項1に記載の発明は、エンジンに接続されて交流出力電圧を発生する発電体と、前記発電体からの交流出力電圧をAC/DC変換及び定電圧化を行う全波整流回路と、該全波整流回路にて得られた直流電圧を交流出力に変換するDC/AC変換部と、高調波分を除去して必要な交流出力を得て外部負荷に給電するフィルタ回路と、バッテリと、前記バッテリの直流電圧を昇圧して前記全波整流回路と前記DC/AC変換部との間に給電するDC/DCコンバータと、前記DC/AC変換部及び前記DC/DCコンバータの出力を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記DC/DCコンバータに対しては、過負荷を検出した時に制御信号を与えて前記バッテリの直流電圧を昇圧して給電するように制御し、前記DC/AC変換部に対しては、外部負荷電流が定格電流値より大きくなると、出力電圧が徐々に低下するように設定された第1垂下特性と、該第1垂下特性より大きな出力電圧が得られる第2垂下特性とのマップを備え、該第1垂下特性に基づいて制御しているときに、過負荷を検出した時は第2垂下特性に移行して制御し、その後前記第1垂下特性に復帰するように制御するインバータ式発電機としたことを特徴とする。
【0013】
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の構成に加え、前記DC/DCコンバータが、全波整流回路の直後の直流電圧が所定電圧以下まで低下したときに負荷が大きいときと判断して作動し、又、当該所定電圧より大きい状態では、不作動となるように設定されていることを特徴とする。
【0014】
請求項3に記載の発明は、請求項1に記載の構成に加え、出力電流を検出することにより、誘導負荷起動時の過負荷電流を検出し、負荷が大きいときを判断して前記DC/DCコンバータを作動させるように設定されていることを特徴とする。
【0015】
請求項4に記載の発明は、請求項1乃至3の何れか一に記載の構成に加え、前記バッテリは前記エンジンの始動用モータのバッテリであることを特徴とする。
【0016】
請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の構成に加え、前記バッテリは前記発電体の一部に設けられたバッテリ充電コイルに接続されていることを特徴とする。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について説明する。
【0018】
[発明の実施の形態1]
図1乃至図7は、この発明の実施の形態1を示す図である。
【0019】
まずこの発明のインバータ式発電機の構成を説明すると、図2中符号11はエンジンで、このエンジン11にキャブレター12及びエアクリーナ13が接続され、そのキャブレター12にはステッピングモータ14が設けられ、このステッピングモータ14を駆動されることにより、スロットル開度が制御されるようになっている。
【0020】
また、そのエンジン11には、多極式発電体16が接続され、この多極式発電体16にコントロールユニット17が接続され、このコントロールユニット17から交流出力が負荷装置18に供給されるようになっていると共に、このコントロールユニット17には、エコノミーコントロールスイッチ19が接続されている。
【0021】
そのコントロールユニット17には、図3に示すような、エンジン11の回転数を検出するエンジン回転数検出部22が設けられると共に、図3に示すように、特性が記憶された電流・回転数マップ記憶部23が設けられ、この電流・回転数マップ記憶部23に前記エコノミーコントロールスイッチ19が接続されている。
【0022】
そして、そのエンジン回転数検出部22及び、電流・回転数マップ記憶部23がスロットル制御演算部24に接続され、このスロットル制御演算部24が前記ステッピングモータ14を制御するモータドライバ部25に接続されている。
【0023】
これにより、エコノミーコントロールスイッチ19がONの時には、スロットル制御演算部24は、モータドライバ部25に制御信号を送り、モータドライバ部25を介してエンジン回転数(スロットル開度)及びAC出力電流(負荷電流)を、図4中の実線の特性曲線に示す関係となるように出力を制御する。
【0024】
また、エコノミーコントロールスイッチ19がOFFの時には、スロットル制御演算部24は、モータドライバ部25に制御信号を送り、モータドライバ部25を介してエンジン回転数(スロットル開度)及びAC出力電流(負荷電流)を、図4中の破線の特性曲線に示す関係となるように出力を制御する。
【0025】
そして、図5には、燃費とAC出力電流との関係を示し、エコノミーコントロールスイッチ19がONの時には実線に示すように、又、エコノミーコントロールスイッチ19がOFFの時には破線に示すようになる。
【0026】
一方、図1に示すように、前記多極式発電体16は、全波整流回路28に接続され、この全波整流回路28に対して、電解コンデンサ29とDC/AC変換部(インバータ回路)30が並列に接続され、このDC/AC変換部30にフィルタ回路31が接続され、このフィルタ回路31から出力されるAC電流が図2に示す負荷装置18に給電されるようになっている。
【0027】
また、図1中符号34はバッテリで、このバッテリ34は始動用リレー35を介して始動用モータ36に接続されると共に、このバッテリ34が、DC/DCコンバータ37に接続され、このDC/DCコンバータ37が、電流逆流防止用ダイオード38を介して、前記全波整流回路28と電解コンデンサ29との間に接続されている。さらに、このバッテリ34には、多極式発電体16の一部に設けられたバッテリ充電コイル42が接続されている。
【0028】
さらにまた、そのDC/DCコンバータ37とDC/AC変換部30とに制御部40が接続され、この制御部40には、電流センサ41からの出力電流検出値及び、フィルタ回路31から出力電圧検出値が入力されるようになっている。これらの値に基づいて、制御部40は、DC/DCコンバータ37及びDC/AC変換部30を制御する。
【0029】
制御部40は、定格電流に対して十分大きな負荷電流が短時間に増加した場合に(図6参照)、電流センサ41からの出力電流検出値に基づいて増加比率を検出し、若しくは、その絶対量を検出することにより当該増加を検出し、DC/DCコンバータ37に制御信号を与える。
【0030】
すなわち、制御部40は、図1に示す全波整流回路28の直後の直流電圧(Vdc)が所定電圧まで低下したとき、この実施の形態では図6に示すように170V以下まで低下したときを負荷が大きいときと判断してDC/DCコンバータ37を作動する制御信号を該DC/DCコンバータ37に与え、又、170Vより大きい状態では、DC/DCコンバータ37に制御信号を与えずDC/DCコンバータ37を不作動とする。なお、直流電圧(Vdc)を検出して制御部40に入力することは図示しない。
【0031】
制御部40は、図7に示すようなマップを有し、該マップに従ってDC/AC変換部30を制御している。
【0032】
図7に示すマップは、外部負荷電流が定格電流値より大きくなると、出力電圧が徐々に低下するように設定された第1垂下特性Aと、この第1垂下特性Aより大きな出力電圧が得られる第2垂下特性Bとを備えている。そして、制御部40は、その第1垂下特性Aに基づいて制御中に、過電流を検出した時には第2垂下特性Bに移行し、この第2垂下特性Bに基づいて5秒間制御した後、第1垂下特性Aに復帰して制御するように構成されている。
【0033】
第1垂下特性Aは、実負荷特性に合わせて、当該エンジン11の能力の限界で、巻き込みがないよう滑らかに3.0kWの出力点を結んだ特性とされている。すなわち、図8に示すように、例えば、エンジン出力が3.0kWとなるように、負荷電流の定格電流値が25Aでは出力電圧値が122V、負荷電流が30Aでは出力電圧値が100V、負荷電流が40Aでは出力電圧値が70Vとなるように設定されている。
【0034】
また、第2垂下特性Bは、例えば、エンジン出力(3.0kW)とバッテリ出力(0.3kW)とを加算した出力(3.3kW)となるように、負荷電流が30Aでは出力電圧値が116V、負荷電流が40Aでは出力電圧値が87Vとなるように設定されている。
【0035】
上記構成において、第1垂下特性Aに基づく制御のみでは、DC/DCコンバータ37がいかに効率よく補助しても、エンジン出力である3.0kWを越えることがなく、起動性が今一つ良好でなかった。しかし、この発明の制御部40によれば、第1垂下特性Aに基づく制御中に過電流を検出した時には、第2垂下特性Bに移行するようにすることで、DC/DCコンバータ37からの補助分を効率よく、第1垂下特性Aに上乗せすることができ、より起動性を向上させることができる。
【0036】
制御部40は、第1垂下特性Aから第2垂下特性Bに移行し、第2垂下特性Bにて制御する時間を数秒、ここでは5秒に設定され、5秒後に第1垂下特性Aに復帰して制御を行うように構成されている。これは、エアコン等を起動させるのは5秒もあれば十分であると共に、出力の大きな状態が長時間続くのを防止し、DC/AC変換部30の素子に大きな負荷が掛からないようにしている。
【0037】
なお、過負荷の状態は、過電流の状態、直流電圧の低下、エンジン回転数の低下等を検出することにより、認識することができる。
【0038】
次に、作用について説明する。
【0039】
エンジン11の駆動により、多極式発電体16が駆動されて交流出力電圧が発生し、この発電体16からの交流出力電圧は、全波整流回路(サイリスターブリッジ整流回路)28で整流された後、電解コンデンサ29にて平滑にされる。これにより実使用回転領域において必要な直流電圧が得られる。
【0040】
そして、この直流電圧は、DC/AC変換部30により交流出力とされた後、フィルタ回路31によって高調波分を除去して必要な交流出力が得られる。また、フィルタ回路31の出力電圧を検出し、制御部40に帰還させることで出力電圧の安定化をはかることができる。
【0041】
同時に、起動性を必要とする負荷装置18が接続され、図6に示すように170V以下まで低下したとき、定格電流に対して十分大きな負荷電流が短時間に増加した場合に、制御部40は、負荷が大きいときと判断してDC/DCコンバータ37を作動する制御信号を該DC/DCコンバータ37に与え、又、170Vより大きい状態では、DC/DCコンバータ37を不作動とする。
【0042】
なお、同一の機能を達成するために、出力電流検出により、誘導負荷起動時の過負荷電流を検出し、DC/DCコンバータ37を駆動させることも可能である。
【0043】
そして、制御部40の制御信号によりDC/DCコンバータ37が作動されると、バッテリ34の直流電圧をそのDC/DCコンバータ37にて昇圧し、電解コンデンサ29に蓄電することにより、DC/AC変換部30により変換されるエネルギーが増大される。
【0044】
従って、これにより従来エンジン出力と発電体とで決まってしまっていた最大出力以上の起動性を得ることができる。
【0045】
特に、セルスタータ付エンジン携帯発電機に搭載している始動用モータ36は通常、直流直巻型モータであり、12Vのバッテリ34を使用し、エンジン11を起動している。従って、この既存のバッテリ34の電力を起動頻度の少ない誘導性負荷(トラベルトレーラのエアコン等)の起動に使うことにより、別途バッテリを用意することなく、既存のバッテリ34の有効利用を図ることができる。
【0046】
一方、エコノミーコントロールスイッチ19をONにした場合には、AC出力電流が少ない(軽負荷)場合に、エンジン回転数を下げて、低騒音・低燃費とすることができる。また、エコノミーコントロールスイッチ19をOFFにした場合には、AC出力電流が0アンペアから定格電流まで、エンジン回転数を一定に制御することができる。発電機の使用負荷の特性によっては、この方が使い勝手が良い場合がある。例えば、負荷電流が頻繁に変わる電動グラインダ使用時等である。
【0047】
さらに、通常エンジン発電機運転時には、多極式発電体16の一部に形成されたバッテリー充電コイル42によって常時バッテリ34を充電する。
【0048】
そして、エンジン始動時及び上記起動電力の大きな誘導性負荷を起動するときには、このバッテリ34を電源として電力を供給する。
【0049】
このようにすれば、小型の出力のエンジン11と小型の多極式発電体16を使い、DC/DCコンバータ37を付加することにより、誘導性負荷の起動性能を向上させることができる。
【0050】
従って、起動電力の大きな誘導性負荷の起動を特に必要とする顧客に対して、軽量のエンジン発電機を提供できる。すなわち、従来、誘導負荷等の起動性を重要視した顧客については、それに見合ったエンジン出力の発電機を提供していたが、この発明によればエンジン出力が1ランク小さいものでも起動が可能となり、発電機の軽量化が可能となる。
【0051】
しかも、所定電圧より低下したときにDC/DCコンバータ37を作動させるように設定すると、通常運転領域では、DC/DCコンバータ37が動作しない領域を設けることが可能となるため、バッテリ34の放電を防止できると共に、過負荷領域においてDC/DCコンバータ37による電力のアシストを行うことができる。
【0052】
なお、手動式スタータのみでエンジン11を始動させるものにおいても、エンジン11のバッテリ充電コイル42によって少しずつ充電される、あるいは商用電源を利用する充電器により充電されるバッテリ34を搭載させ、このバッテリ34の出力を、起動電力の大きな誘導負荷を起動する場合に、エンジン11による多極式発電体16による出力に加えることにより、誘導負荷の起動性能を高めることができる。一方、上記のように始動モータ36を搭載するインバータ式発電機においては、バッテリ34にエンジン11始動用及び誘導負荷の起動性能向上用の両方の機能を持たせることができる。
【0053】
[発明の実施の形態2]
図8には、発明の実施の形態2を示す。
【0054】
この実施の形態2は、バッテリ34に直列にバッテリ43が接続され、DC/DCコンバータ37への入力電圧が24Vとなり、実施の形態1の入力電圧より高くなる。
【0055】
これにより、DC/DCコンバータ37の電流容量を低く押さえることができるため、1次側における熱損失を低減し、DC/DCコンバータ37の小型化が可能となり、軽量化とコスト低減が可能となる。
【0056】
他の構成及び作用は実施の形態1と同様であるので説明を省略する。
【0057】
なお、上記実施の形態では、全波整流回路28の直後の直流電圧や出力電流を検出することにより、負荷が大きいか否かを判断し、DC/DCコンバータ37を制御するようにしているが、これに限らず、例えば負荷装置がポンプ等の場合に、スイッチを入れた直後は、負荷が大きいと判断して、電流や電圧を検知することなく、スイッチを入れたことをトリガとして、DC/DCコンバータを所定時間作動させることもできる。
【0058】
【発明の効果】
以上説明してきたように、請求項1に記載の発明によれば、エンジン出力と発電体とで決まってしまっていた最大出力以上の起動性を得ることができる。従って、従来、誘導負荷等の起動性を重要視した顧客については、それに見合ったエンジン出力の発電機を提供していたが、当システムによればエンジン出力が1ランク小さいものでも起動が可能となり、発電機の軽量化が可能となり、また、負荷が大きいときにDC/DCコンバータを作動させて、バッテリからの直流電圧をDC/DCコンバータにて昇圧して供給するようにしているため、バッテリの放電を防止でき、さらに、全波整流回路の直後の直流電圧や発電機の出力電流を検出することにより、負荷の大きさを判断しているため、負荷の大きさをより適切に判断することができ、さらにまた、過負荷の時に、第1垂下特性に基づく制御から、第2垂下特性による制御に移行するようにすることで、DC/DCコンバータからの補助分を効率よく、第1垂下特性に上乗せすることができ、より起動性を向上させることができる。
【0059】
請求項2、3に記載の発明によれば、上記効果に加え、全波整流回路の直後の直流電圧や発電機の出力電流を検出することにより、負荷の大きさを判断しているため、負荷の大きさをより適切に判断することができる。
【0060】
請求項4に記載の発明によれば、上記効果に加え、バッテリをエンジンの始動用モータのバッテリとすることにより、別途バッテリを用意することなく、既存のバッテリを有効に利用できる。
【0061】
請求項4に記載の発明によれば、上記効果に加え、バッテリは発電体の一部に設けられたバッテリ充電コイルに接続されているため、エンジン駆動中に当該バッテリを充電することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態1にかかるインバータ式発電機の回路図である。
【図2】 同実施の形態1にかかるインバータ式発電機の概略図である。
【図3】 同実施の形態1にかかるインバータ式発電機のコントロールユニット内の制御ブロック図である。
【図4】 同実施の形態1にかかるグラフ図で、エコノミースイッチがON又はOFFの場合における、スロットル開度及びエンジン回転数と、AC出力電流との関係を示すグラフ図である。
【図5】 同実施の形態1にかかるグラフ図で、エコノミースイッチがON又はOFFの場合における、燃費と、AC出力電流との関係を示すグラフ図である。
【図6】 同実施の形態1にかかる全波整流後の直流電圧とAC出力電流との関係を示すグラフ図である。
【図7】 この発明の実施の形態1にかかる制御用の垂下特性を示すグラフ図である。
【図8】 この発明の実施の形態2にかかる図1に相当するインバータ式発電機の回路図である。
【符号の説明】
11 エンジン
16 多極式発電体(発電体)
17 コントロールユニット
28 全波整流回路
29 電解コンデンサ
30 DC/AC変換部
31 フィルタ回路
34,34 バッテリ
36 始動用モータ
37 DC/DCコンバータ
38 電流逆流防止用ダイオード
40 制御部
42 バッテリ充電コイル
A 第1垂下特性
B 第2垂下特性
Claims (5)
- エンジンに接続されて交流出力電圧を発生する発電体と、前記発電体からの交流出力電圧をAC/DC変換及び定電圧化を行う全波整流回路と、該全波整流回路にて得られた直流電圧を交流出力に変換するDC/AC変換部と、高調波分を除去して必要な交流出力を得て外部負荷に給電するフィルタ回路と、バッテリと、前記バッテリの直流電圧を昇圧して前記全波整流回路と前記DC/AC変換部との間に給電するDC/DCコンバータと、前記DC/AC変換部及び前記DC/DCコンバータの出力を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、
前記DC/DCコンバータに対しては、過負荷を検出した時に制御信号を与えて前記バッテリの直流電圧を昇圧して給電するように制御し、
前記DC/AC変換部に対しては、外部負荷電流が定格電流値より大きくなると、出力電圧が徐々に低下するように設定された第1垂下特性と、該第1垂下特性より大きな出力電圧が得られる第2垂下特性とのマップを備え、該第1垂下特性に基づいて制御しているときに、過負荷を検出した時は第2垂下特性に移行して制御し、その後前記第1垂下特性に復帰するように制御する
ことを特徴とするインバータ式発電機。 - 前記DC/DCコンバータが、全波整流回路の直後の直流電圧が所定電圧以下まで低下したときに負荷が大きいときと判断して作動し、又、当該所定電圧より大きい状態では、不作動となるように設定されていることを特徴とする請求項1に記載のインバータ式発電機。
- 出力電流を検出することにより、誘導負荷起動時の過負荷電流を検出し、負荷が大きいときを判断して前記DC/DCコンバータを作動させるように設定されていることを特徴とする請求項1に記載のインバータ式発電機。
- 前記バッテリは前記エンジンの始動用モータのバッテリであることを特徴とする請求項1乃至3の何れか一に記載のインバータ式発電機。
- 前記バッテリは前記発電体の一部に設けられたバッテリ充電コイルに接続されていることを特徴とする請求項4に記載のインバータ式発電機。
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